DE3928463C2

DE3928463C2 -

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Publication number: DE3928463C2
Application number: DE19893928463
Authority: DE
Inventors: Ingo Dipl.-Wirtsch.-Ing. 3150 Peine De Lange; Werner-Michael Prof. Dr. 2000 Hamburg De Kulicke; Rusli Dipl.-Ing. 2000 Hamburg De Budirahardjo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-08-29
Filing date: 1989-08-29
Publication date: 1993-09-09
Also published as: DE3928463A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der für eine Optimierung der mechanischen Fest- Flüssig-Trennung eines Klärschlammes erforderlichen Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel, bei dem einer definierten Menge einer Klärschlammprobe Flockungsmittel und/oder Flockungsmittel zugeführt, die Klärschlammprobe mit dem Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel dann gerührt und danach durch ein Filter geleitet wird, wobei in bestimmten Zeitabständen der Filterwiderstand gemessen und aus den Meßwerten des Filterwiderstandes Rückschlüsse auf das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel gezogen werden.

Insbesondere kommunale Abwässer enthalten Feststoffe aus anorganischen, organischen, toxischen und nicht toxischen Anteilen, die vor der Rückführung in offene Gewässer gerei nigt werden müssen. Die Feststoffabtrennung aus Faulschlamm bereitet oft große Schwierigkeiten, da die einzelnen Schlamm partikel aufgrund ihrer Größe und ihrer gleichsinnigen Ladung nur eine geringe Tendenz zur Aggregation und Sedimentation aufweisen. Die Sinkgeschwindigkeiten der Schlammpartikel variieren stark und es kann Wochen und sogar Jahre dauern, bis ein Partikel um einen Meter absinkt. Zur Erhöhung der Sinkgeschwindigkeit kleinster Schwebstoffe und zur Bildung größerer Aggregate ist es daher bekannt, dem Klärschlamm Eisensalze sowie Asche und Kalk zuzusetzen, die zusammen etwa 50% mehr an Feststoffgehalt aufweisen wie ursprünglich der Klär schlamm selbst. Durch diesen hohen Anteil an Konditionie rungsstoffen werden Transport- und Deponiekosten erheblich erhöht. Bei den chemischen Zusätzen zur Verbesserung des Flockungs- und Entwässerungsverhalten des Schlammes wird zwischen Flockungs- und Flockungshilfmittel unterschieden. Als Flockungsmittel bezeichnet man die Substanzen, die primär für die Entstabilisierung von dispergierten Teilchen verant wortlich sind. Dies können anorganische Metallsalze oder wasserlösliche organische Makromoleküle sein, wobei im ersten Fall Asche und Kalk zur Verbesserung der Schlammorphologie zugegeben werden müssen. Das Mengenverhältnis von Asche und Kalk zum Feststoffgehalt des Schlammes beträgt ca. 1 : 3. Rech net man die Menge des anorganischen Flockungsmittel dazu, so erhöht sich das Mengenverhältnis Zusätze zum Feststoffgehalt des Schlammes auf ca. 1 : 2. Als Flockungshilfsmittel werden hochmolekulare natürliche oder synthetische Makromoleküle bezeichnet, wenn sie nach erfolgter Entstabilisierung in einem weiteren Schritt der geflockten Suspension zugegeben werden, um die Flockenstruktur zu verbessern. Zu den anorga nischen Flockungsmitteln und Zuschlägen gehören die bereits erwähnten wasserhaltigen Eisensalze und Aluminiumsalze sowie Asche und Kalk. Während die Metallsalze den Niederschlag bilden, dient Asche während des Flockungsvorgangs zur Stabi lisierung der Flocken und Kalk zur pH-Wert-Einstellung vor dem Flockungsvorgang.

Polymere können sowohl als Flockungsmittel und auch als Flockungs hilfsmittel fungieren. Die neutralen nicht-ionischen und die negativ geladenen anionischen Polymere sind Flockungs hilfsmittel und werden anstelle von Asche und Kalk als Sta bilisatoren eingesetzt, nachdem eine Entstabilisierung der Schlammpartikel durch Zusatz von Eisensalzen erzwungen wurde. Die kationischen Polymere sind aufgrund ihrer positiven La dung (Schlammpartikel sind überwiegend negativ geladen) zu nächst Flockungsmittel und aufgrund ihres langkettigen ultra hochmolekularen Aufbaus gleichzeitig auch Flockungshilfsmit tel. So ist es bekannt, zur Entwässerung von Klärschlämmen diesen Polyelektrolyten zuzuführen. Diese bilden druckstabile Feststoffagglomerate, die sich in Zentrifugen oder Pressen hervorragend entwässern lassen.

Durch gezielte Variation der molekularen Parameter der als Flockungsmittel dienenden makromolekularen Polyelektrolyte können schwersedimentierende Teilchen eines Klärschlamms zur Aggregation gebracht werden, wobei die mechanische Fest- Flüssig-Trennung im Vergleich zu einem mit Eisensalzen ge flockten Klärschlamm erheblich verbessert wird. Es hat sich bei Klärschlämmen kommunalen Ursprungs gezeigt, daß eine Optimierung bezüglich molukularer Parameter bis zu einer 30%igen Erhöhung der Filtratmenge führt und gleichzeitig die Filtrationsdauer um eine Größenordnung herabgesetzt werden kann. Die größte Wirksamkeit wird mit synthetischen katio nischen Polyelektrolyten erzielt, die im optimalen Fall eine Kationizität von 50% bei einer Molmasse von 9×10⁶ g/mol und eine Konzentration von 300 ppm aufweisen. Voraussetzung für eine Optimierung eines Flockungsmittels hinsichtlich Art und Dosierung ist aber die Kenntnis von dessen Flockungs- und Entwässerungsverhalten, das abhängig ist von der Klärschlamm zusammensetzung und den molekularen Parametern des Flockungs mittels wie Molmassen, Ionogenität, Copolymerzusammensetzung und dergleichen. Da die Klärschlammzusammensetzung örtlich und zeitlich nicht konstant ist, besteht für den Klärwerkbe treiber das Bedürfnis, die Flockungsmittelbestimmung hin sichtlich Art und Menge einfach und zuverlässig durchführen zu können.

Für Wasserreinigungsanlagen ist es nach der US 42 82 093 bekannt, dem zu reinigenden Rohwasser Flockungsmittel zuzu geben, das sich in einem Sedimentationsbecken ausscheidet und hierbei das Wasser reinigt. Der Gerinnungseffekt wird dadurch gemessen, daß ein Teil des Rohwassers mit dem Flockungsmittel durch eine Filterkolonne geleitet wird. Durch Messung und Überwachung des Filterwiderstandes wird die richtige Do sierung des Flockierungsmittels überwacht. In der DE 36 30 66 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entwässerung von Klärschlämmen mit Hilfe organischer polymerer Flockungs mittel beschrieben. Der geflockte Schlamm wird vor dem Auf geben auf eine mechanische Entwässerungsvorrichtung ohne mechanische Behandlung in einem Konditionierungsbehälter eingedickt, wobei ein Teil des Schlammwassers durch Dekan tieren abgetrennt wird. Als Flockungsmittel sollen Poly elektrolyte Verwendung finden, die durch Emulsionspolymeri sation hergestellt sind. Eine Anpassung und Auswahl eines speziellen Flockungsmittels an unterschiedliche Klärschlamm zusammensetzungen wird nicht beschrieben. Nach der DE 31 43 815 C2 ist ein Flockungstestgerät bekannt, mit dem der opti male Flockungsmittelbedarf für die Aufbereitung von z. B. Abwasser bestimmt werden soll. Mit diesem Flockungstestgerät soll der Mindestbedarf an Flockungsmitteln ermittelt werden, um Überdosierungen zu vermeiden. Das Gerät weist als Trü bungsmeßeinrichtung eine Laseranordnung auf, bei der eine Transmissionsmessung erfolgt. Mit diesem Gerät kann nur die erforderliche Mindestmenge an Flockungsmitteln bestimmt nicht aber die Auswahl des Flockungsmittels optimiert werden. Durch die DE 35 28 598 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung und Ent sorgung von ruß- und aschehaltigem Abwasser bekannt, bei dem dem Abwasser ein organisches anionisches Flockungsmittel zugesetzt wird. Bei einem derartigen Verfahren zur Abwasser reinigung wird nach der DE 37 10 804 A1 den Abwässern so viel Calciumhydroxid zugesetzt, daß der pH-Wert eines wäßrigen Auszugs des Filterkuchens mehr als 11,8 beträgt. Hierdurch soll auf eine aufwendige Behandlung des Filterkuchens mit Eisensalz-Lösungen verzichtet werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, durch das einfach und zuverlässig der Einsatz eines dem je weiligem Klärschlamm zuzusetzenden Flockungsmittels und/oder Flockungshilfsmittels bezüglich chemischer Natur, Einwaage konzentration, molekularer Masse, Kationizität und der gleichen bestimmt werden kann.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Die Vorrichtung 15 weist eine Meßprobenaufnahmeeinrichtung 11 auf, die aus einem Rührgefäß 5 mit einer Rühreinrichtung 12 besteht. Die Rühreinrichtung 12 ist durch einen Rührer 13 gebildet, der mit einem Motor 1 verbunden ist. Bodenseitig ist an dem Rührgefäß 5 ein Ausgang ausgebildet, an dem eine erste Rohrleitung 24 mit einem ersten Absperrven til 7 angeschlossen ist. Die erste Rohrleitung 24 ist mit einem Aufnahmebehälter 3 verbunden. Der Aufnahmebehälter 3 dient zur Aufnahme des geflockten Klärschlamms. In dem Aufnahmebe hälter 3 ist eine Bodenplatte 25 angeordnet, die Durchbre chungen aufweist. Die Bodenplatte 25 kann als Sieb, Gitter oder Rost ausgebildet sein.

An dem oberen Abschnitt der Seitenwand des Aufnahmebehälters 3 ist ein Druckluftanschlußstutzen 16 ausgebildet. Dieser ist mittels einer zweiten Rohrleitung 19 mit einem Druckluftspeicher 2 verbunden. In der zweiten Rohrleitung 19 ist ein Druckreduzierventil 10 angeordnet, zu dem beidseitig ein drittes und viertes Absperrventil 9, 8 vorge sehen ist. Der Druckluftspeicher 2 kann z. B. als Druckluft patrone ausgebildet sein.

Der Boden des Aufnahmebehälters 3 ist kegelig ausgebildet und weist an seiner tiefsten Stelle einen Wasserauslaßstutzen 17 auf, der mit einem zweiten Absperrventil 26 verbunden ist. Der Was serablaufstutzen 17 ist einem Wasserauffanggefäß 6 zugeord net, das lösbar auf einer Waage 4 angeordnet ist. Die Waage 4 ist mittels eines Kabels 23 mit einer Schnittstelle 22 verbun den, die an einen Mikrorechner 18 angeschlossen ist. Der Mikrorechner 18 weist vorzugsweise eine als Tastatur ausge bildete Eingabeeinheit sowie ein Display oder einen Bild schirm auf. Peripherieseitig ist an den Mikrorechner 18 ein Drucker 20 und ein Plotter 21 angeschlossen.

Besonders vorteilhaft ist es, die genannten Bauelemente der Vorrichtung 15 in einem nicht näher dargestellten tragbaren Rahmen anzuordnen. Hierdurch ist die Vorrichtung 15 für einen mobilen Einsatz geeignet.

Die beschriebene Vorrichtung 15 ermöglicht es, die für eine Aggregation der Schlammpartikel erforderliche optimale Mol masse, den Polymerisationsgrad, die Einwaagekonzentration und die Kationizität einzustellen. Der Volumenbedarf der einzel nen Polyelektrolyte und die Zahl der Ladungsträger pro Volu meneinheit werden in Abhängigkeit von der Struktur des Klär schlamms berücksichtigt. Die Entstabilisierung und Aggrega tion der Schlammpartikel erfolgt nach Zugabe eines Flockungs mittels unter ständigem Rühren in der Meßprobenaufnahmeein richtung 11. Die Feststoffabtrennung wird mittels Druckfil tration durch die Druckluft des Druckluftspeichers 2 in dem Aufnahmebehälter 3 der Filtrationseinrichtung 14 durchge führt. Durch die Kopplung mit dem Mikrorechner 18 und die Bestimmung der Filtratmenge durch Wiegung ist es möglich, das anfallende Filtratvolumen V als Funktion der Zeit t durch eine sehr große Anzahl von Meßpunkten zu bestimmen. Die an schließende Auswertung des Entwässerungsergebnisses kann über den spezifischen Filtrationswiderstand

mit

r = Filterwiderstand (m/kg),
F = Filterfläche (m²),
Δp = Der treibende Druck (Pa),
η = Viskosität (Pa · s),
TR = Trockenmasse (kg/m³),
t = Zeit (s),
V = Volumen (m³)

mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Durch den spezi fischen Filtrationswiderstand r kann die Effektivität der Konditionierung und Entwässerung des Schlammes eindeutig beschrieben werden. Er ist ein Maß für das Wassertrennverhal ten eines Schlammes bei der Filtration. Voraussetzung für dies relativ einfache und schnelle Bestimmung des r-Wertes ist die quadratische Beziehung zwischen der Zeit t und dem anfallenden Filtrationsvolumen V aus dem Filtrationsgesetz. In Fig. 2 ist der Kurvenverlauf t/V gegen V schematisch dargestellt.

Man erkennt drei unterschiedliche Kurvenbereiche, die durch mehr oder weniger breite Übergänge verbunden sind. Der erste Bereich spiegelt den Beginn der Kuchenfiltration wieder. Die Filterporen sind noch nicht durch eine feste Schlammschicht bedeckt, so daß für eine sehr kurze Zeit das Filtrat noch relativ ungehindert abfließen kann. Allmählich überlagern sich dann die einzelnen Schlammschichten auf dem Filtermedium und die Menge des abfließenden Filtrats verringert sich. Man erreicht den zweiten Kurvenbereich, in dem für den Faul schlamm die für die Bestimmung des r-Wertes geforderte qua dratische Beziehung zwischen t und V verwirklicht ist. Der dritte Kurvenabschnitt beschreibt den Auslaufvorgang, wenn das durch Aggregation der Schlammpartikel freigewordene Fil trat vollständig abgetrennt wird, wobei ein Durchblasen des Filterkuchens erfolgen würde. Es ist das Ziel, kleinstmög liche r-Werte zu erreichen.

Nachstehend werden Beispiele für die Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung 15 beschrieben, die das Entwässerungsverhalten eines Klärschlamms bei unter schiedlicher Konditionierung zeigen.

Entwässerungsverhalten nach Konditionierung mit Metallsalzen, nicht-ionischen Polymeren, anionischen Polyelektrolyten und Biopolymeren

Den Einfluß des Feststoffgehaltes auf den r-Wert bei den oben beschriebenen Bedingungen zeigen die Fig. 3 und 4, die die Abhängigkeit des Filtrationswiderstands r von der Trocken masse (TS= 29 g/l) des Schlammes und vom pH-Wert des Systems darstellen.

Zur Aufkonzentrierung des ursprünglichen Feststoffgehaltes von 29 g/l auf höhere Werte wurde der Schlamm im Trocken schrank bei 40°C eingedickt. Durch Versuche konnte festge stellt werden, daß die thermische Beanspruchung bei der Auf konzentrierung des Feststoffgehaltes keinen signifikanten Einfluß auf den r-Wert hat und somit eine Veränderung in der Schlammorphologie ausgeschlossen werden kann. Außerdem zeigte sich, daß die r-Werte direkt proportional zum Feststoffgehalt des Klärschlammes sind. Ein Maß für die Stabilität einer Feststoffsuspension ist die Lage des isoelektrischen Punktes, d. h. des Bereichs, bei dem durch Zugabe entgegengesetzter Ladungsträger gerade eine Kompensation der Ladungen stattge funden hat. Mit dem Konzept des r-Wertes kann dieser isoelek trische Punkt für den hier verwendeten Faulschlamm bestimmt werden. In der Fig. 4 oben ist die Abhängigkeit des r- Wertes vom pH-Wert des Schlammes dargestellt. Das absolute Minimum der Kurve liegt bei einem pH-Wert von etwa 3,5 und der pH-Wert des Schlammes liegt zwischen 7,3 und 8,2, d. h. erst eine Absenkung dieses Wertes um ca. vier Zehnerpotenzen vermag die negativen Ladungen der Schlammpartikel zu kompen sieren. Der starke Anstieg der r-Werte oberhalb vom pH 8 beruht auf der Zufuhr gleichsinniger Ladungen durch Hydroxid- Ionen. Außerdem liegt das chemische Gleichgewicht zwischen Ammoniumionen und dem Ammoniak bei diesen pH-Werten auf der Seite des gasförmigen Ammoniaks, so daß auch dadurch ehemals vorhandene positive Ladungen nicht mehr zur Verfügung stehen und eine stärkere gegenseitige Abstoßung resultiert.

Um so zu verdeutlichen, bis zu welchem Maße die Effektivität des einzelnen Filtrationsvorgangs in Abhängigkeit der Zusätze erreichbar ist, sind in Fig. 5 einige ausgewählte Filtra tionskurven von Originalschlamm und Wasser, des mit Metall salz und Zusätzen nicht-ionischen Polyacrylamid (P4OR), anionischem Polyelektrolyt (CoP4OR/2) und Biopolymer (kationisch modifizierte Stärke) konditionierten Faulschlam mes gegenübergestellt.

In Abhängigkeit vom pH-Wert bildet die wäßrige Lösung der Lewis-Säure Fe⁺³ durch unterschiedliche Hydratation Hydrokom plexe oligomeren und sogar polymeren Charakters, die für die Entstabilisierung der Feststoffpartikel und damit für die Flockung verantwortlich sind. Der optimale Flockungs- und Entwässerungserfolg liegt bei einer Konzentration von 5,5 g/l Eisensalz und 2,5 g/l Asche bei pH 8, was einer Fe³⁺-Konzen tration von 1,9 g/l entspricht. Die ursprüngliche Feststoff konzentration von 29 g/l hat sich also bei maximaler Entsta bilisierung und Entwässerung allein durch die Zugabe des Flockungsmittels um 19% erhöht. Eine größenordungsmäßige Einschätzung über das Ausmaß der Entwässerung bei dieser Konzentration zeigt Kurve 3 in der Abbildung. Die ungeladenen oder negativ geladenen Polymere allein erzielten bei den Flockungsversuchen keine ausgeprägte Entstabilisierung und damit eine schlechte Entwässerbarkeit des geflockten Schlam mes (Kurve 2).

Zur Verbesserung der Flockenmorphologie wurde in einem zwei ten Schritt anstelle von Asche und Kalk, die Zudosierung von gelöstem ungeladenen Polyacrylamid (P4OR) oder negativ gela denen Polyacrylamid-co-acrylaten (CoP4OR/2) als Flockungs hilfsmittel durchgeführt. Trägt man für verschiedene Konzen trationen die r-Werte gegen die Molekulargewichte der PAAm- Proben bei der Verwendung als Flockungshilfsmittel (r-Wert ca. 10¹²) nach Entstabilisierung mit Eisensalz auf, so zeigt sich bei gleichen Polymerkonzentrationen ein Absinken der r-Werte um bis zu drei Zehnerpotenzen im Gegensatz dazu, wenn PAAm alleine als Flockungsmittel (r-Wert ca. 10¹⁵) verwendet wurde. Bei dem gewählten Molmassenspektrum besteht keinerlei Molekulargewichtsabhängigkeit bei der Verwendung von PAAm sowohl als Flockungsmittel oder als Flockungshilfsmittel. Ein qualitativ gleicher Befund ergibt sich bei der Anwendung von anionischen Polyelektrolyten. Kurve 5 in der Fig. 5 zeigt das Ergebnis bei der Verwendung des nicht-ionischen Polymers P4OR als Flockungshilfsmittel nach der Entstabilisierung mit Eisensalz.

Die einzelnen Proben der anionischen Polyacrylamid-co-natri umacrylate mit verschiedenen Verseifungsgraden verhalten sich als Flockungsmittel aufgrund ihrer gleichsinnigen Ladung mit den Schlammpartikeln ähnlich wie die PAAm-Proben und zeigen unbefriedigende Ergebnisse (Kurve 2). Werden sie dagegen nach Entstabilisierung durch Eisensalz als Flockungshilfsmittel eingesetzt, ist das Entwässerungsverhalten verbessert (Kurve 4). Durch Variation der Verseifungsgrade der Proben kann das Entwässerungsverhalten optimiert werden. Da die Acrylate negativ geladen sind, hat ein Minimum an Acrylatgehalt bei dem gleichen Polymerisationsgrad der Proben ein Optimum der Schlammorphologie zur Folge. Oberhalb eines Verseifungsgrades von 40% ist keine abnehmende Effektivität mehr festzustellen.

Für die anionischen Polymere als Flockungshilfsmittel wurde in der Fig. 5 die Probe CoP4OR/2 mit einem Verseifungsgrad von 19% gewählt (Kurve 4).

Wegen ihrer natürlichen Abbaubarkeit besitzen kationisch modifizierte Stärkeprodukte eine gute Umweltverträglichkeit und sind bei gleicher Wirksamkeit deshalb als Flockungsmittel optimal geeignet.

Entwässerungsverhalten nach Konditionierung mit kationischen Polyacrylamid-Derivaten

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Polymeren, zeigten sich die kationischen Polyacrylamid-co-trialkylammoniumal kylmethylacrylat-chloride die größte Wirksamkeit und werden hier hinsichtlich ihrer Molmasse und ihres Polymerisations grades, der Konzentration als auch der Kationizität beschrie ben.

Die mechanische Fest-Flüssig-Trennung wird in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt entsteht nach Zugabe des Flockungsmittels (kationische Polyacrylamid-Derivate) durch die Entstabilisierung der gleichsinnig geladenen Partikel eine Flockenstruktur, die das gesamte Gefäß ausfüllt und sich zeitlich kaum verändert. Ein Sedimentationsverhalten kann deshalb nicht beobachtet werden. Bei Konditionierung mit hydrolisierenden Metallsalzen kann man die Sedimentationsge schwindigkeit visuell verfolgen. Bei anionischen Polyacryl amid-co-natriumacrylaten und nicht-ionischen Polyacrylamiden wird eine Flockung nicht beobachtet. Deshalb werden sie als Flockungshilfsmittel statt Asche bei gleichzeitiger Zugabe von Metallsalzen zugesetzt. Kationische Stärkeprodukte ver halten sich dagegen ähnlich wie die kationischen Polyelektro lyte. Die Ausbildung einer Flockenstruktur, die das Gesamt volumen ausfüllt, kann damit erklärt werden, daß das Volumen der gesamten Einzelmoleküle bereits das Gesamtvolumen der Trübe ausfüllt.

Aus tabellarisch vorliegenden Daten kann man die kritische Konzentration c_LS* der Polyelektrolyte berechnen, die bei der dichtesten Kugelverpackung zu erwarten ist:

C_LS⁺ = 1,84 · 10^-25 M_w/<R_G²<1,5

mit R_G² = Gyrationsradius (cm).

Im zweiten Schritt wird das Filtrationsverhalten untersucht, wobei es darauf ankommt, in einer kurzen Zeit möglichst viel Wasser aus dem geflockten Klärschlamm zu entfernen.

Fig. 6 zeigt vergleichend den Einfluß der Einwaagekonzentra tion eines kationischen Polyelektrolyten auf das Filtrations verhalten des Klärschlammes bei einer Kationizität von 50% und M_W = 9 · 10⁶ g/mol.

Es ist deutlich erkennbar, daß im Anfangsbereich die Steil heit der Materialfunktion wesentlich größer ist als bei den oben erwähnten Polymeren und deshalb die Zeitachse gespreizt wurde. Die Zeichengröße spiegelt die Reproduzierbarkeit der Messungen wider. Darüber hinaus wird ein Maximumsverhalten derart beobachtet, daß unterhalb einer Konzentration von c= 0,2 g/l das Filtrationsverhalten im Anfangsbereich sehr viel flacher verläuft und auch bei Zeiten t → ∞ keine optima len Werte mehr aufweist, während bei Konzentrationen von c< 0,3 g/l eine Verschlechterung bezüglich Steilheit und Endfil tratmenge zu beobachten ist.

Es ist notwendig einen Mindestwert der Oberflächenladung zu erreichen, der zu einer optimalen Filtrationskurve führt (c= 0 3 g/l), während bei weiterer Erhöhung der Einwaagekonzen tration die Viskosität durch die Zugabe der Polyelektrolyten so stark ansteigt, daß sich die Partikel stabilisieren. Die Viskositätserhöhung ist darauf zurückzuführen, daß alle C_LS*-Werte weit unterhalb der wirksamen Konzentrationen lie gen. Darüber hinaus tritt eine Abnahme der Dichtedifferenz zwischen Fest- und Flüssigphase auf. Außerdem ist es möglich, daß eine Ladungsumkehr auf der Oberfläche stattfindet, die zu einer Abstoßung und damit Stabilisierung der Partikel führt. Es ist somit notwendig, eine Optimierung der Polymerkonzentra tion in Abhängigkeit der Klärschlammzusammensetzung zu be stimmen. Das Maximumverhalten wird durch den Volumensbedarf der einzelnen Polyelektrolytmoleküle verursacht, der eine optimale Aggregation verhindert. Andererseits ist es durchaus möglich, daß eine Ladungsumkehr auf den Flockenoberflächen auftritt und somit die wirksame Einwaagekonzentration bei den Molmassen M_W weit über den kritischen Konzentrationen C_LS* liegt.

Die Ruhescherviskosität η wird durch die zunehmende Polymer konzentration anders beeinflußt als durch die Zunahme der Mol masse M_W bzw. Polymerisationsgrad P_W. Während die Erhöhung der Viskosität bei zunehmender Kettenlänge und bei gleicher Konzentration in der gleichen Größenordnung bleibt, steigt die Viskosität auf fast das 200fache bei gleichzeitiger Erhöhung der Konzentration bei gleicher Molmasse.

Ein Maß für die Effektivität der Flockung von Klärschlamm ist die Filtrierbarkeit der entstabilisierten Schlammpartikel durch entgegengesetzt geladene Polyelektrolyte. Wie beschrie ben wurde, ist der Widerstand des Filterkuchens, der r-Wert, umgekehrt proportional zum austretenden Filtratvolumenstrom und somit eine Funktion der Steigung von den Filtrationskur ven. Er ist auch eine Funktion der Porosität und somit der Größe der Flocken im Filterkuchen. Darum ist es wünschenswert kleinstmögliche r-Werte zu erzielen.

In Fig. 7 sind die Abhängigkeiten des r-Wertes von den Mol massen, der Konzentration und der Kationizität dargestellt.

Die Kurven zeigen alle ein Minimumsverhalten, bei dem die Filtration am besten verläuft, die Flockenstruktur also opti mal ist. Es ist hier wiederum ersichtlich, daß eine Optimie rung bezüglich molekularer Parameter eine unabdingbare Vor aussetzung für einen erfolgreichen Filtrations- und Entwässe rungsvorgang darstellt. Außerdem stellt der r-Wert eine ver läßliche Kenngröße dar, der dazu geeignet ist, Filtrations vorgänge qualitativ zu charakterisieren und diese miteinander vergleichend zu beurteilen.

Mittels der Vorrichtung 15 ist es somit möglich, anhand der Filtrations- und Widerstandskurven die wichtigsten Flockungs- und Entwässerungsdaten zu ermitteln. Hierdurch kann eine Optimierung der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung durch gezielten Einsatz makrolekularer Flockungsmittel anhand ihrer Einwaagekonzentration in Abhängigkeit der Schlammzusammen setzung erreicht werden.

Durch Einsatz makromolekularer Flockungsmittel kann ein opti males Entwässerungsverhalten bezüglich des zeitlichen Ablau fes und der abgetrennten Abwassermenge gefunden werden, wobei die Zuschlagsmenge des Polyelektrolyten um den Faktor 50 niedriger liegt als bei dem heute noch häufig verwendeten Metallsalzen mit Zuschlägen Asche und Kalk.

Bei der genauen Kenntnis der molekularen Parameter des Poly mers und der Schlammkennwerte ist ferner in vorteilhafter Weise eine Vorhersage zur optimalen Flockung und Enwässerung von Klärschlämmen bezüglich der einsetzbaren Polyelektrolyte möglich.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der für eine Optimierung der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung eines Klärschlamms erforderlichen Flockungsmittel und/oder Flockungshilfs mittel, bei dem einer definierten Menge einer Klär schlammprobe Flockungsmittel und/oder Flockungshilfs mittel zugeführt, die Klärschlammprobe mit dem Flockungs mittel und/oder Flockungshilfsmittel dann gerührt und danach durch ein Filter geleitet wird, wobei in bestimm ten Zeitabständen der Filterwiderstand gemessen und aus den Meßwerten des Filterwiderstandes Rückschlüsse auf das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Klärschlammprobe eine definierte Menge eines Metallsalzes als Flockungs mittel zugeführt wird, daß dann die Klärschlammprobe zur Entstabilisierung und Aggregation der Schlammpartikel eine vorbestimmte Zeit gerührt wird, dann die Feststoff abtrennung durch Druckfiltration vorgenommen und das austretende Wasser in einem Auffanggefäß aufge fangen und gewogen wird, dann der spezifische Filterwider stand ermittelt wird, wobeir = Filterwiderstand (m/kg),
F = Filterfläche (m²),
Δp = Der treibende Druck (Pa),
η = Viskosität (Pa · s),
TR = Trockenmasse (kg/m³),
t = Zeit (s),
V = Volumen (m³)ist, und daß dann in sich wiederholender Weise durch Zugabe definierter Mengen von nicht-ionischen Polymeren und/oder anionischen Polyelektrolyten und/oder Biopolyme ren als Flockungshilfsmittel für die Klärschlammprobe das Minimum des Filterwiderstandes r ermittelt wird.

2. Verfahren zur Bestimmung für eine Optimierung der mechanischen Fest-Flüssig-Tren nung eines Klärschlamms erforderlichen Flockungsmittel und/oder Flockungshilfs mittel, bei dem einer definierten Menge einer Klär schlammprobe Flockungsmittel und/oder Flockungshilfs mittel zugeführt, die Klärschlammprobe mit dem Flockungs mittel und/oder Flockungshilfsmittel dann gerührt und danach durch ein Filter geleitet wird, wobei in bestimm ten Zeitabständen der Filterwiderstand gemessen und aus den Meßwerten des Filterwiderstandes Rückschlüsse auf das Flockungsmittel und/oder Flockungshilfsmittel gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in sich wieder holender Weise der Klärschlammprobe eine definierte Menge eines kationischen Polyelektrolyten mit bekannten moleku laren Parametern als Flockungsmittel zugegeben wird, dann die Klärschlammprobe zur Entstabilisierung und Aggregation der Schlammpartikel eine vorbestimmte Zeit gerührt wird, dann die Feststoffabtrennung durch Druckfiltration vorgenommen und das austretende Wasser in einem Wasserauffanggefäß aufge fangen und gewogen wird, und dann die Konzentrat ion der kationischen Polyelektrolyten in der Probe ermit telt wird, bei der der spezifische Filterwiderstand ein Minimum ist, wobeir = Filterwiderstand (m/kg),
F = Filterfläche (m²),
Δp = Der treibende Druck (Pa),
η = Viskosität (Pa · s),
TR = Trockenmasse (kg/m³),
t = Zeit (s),
V = Volumen (m³)ist.

3. Vorrichtung zur Bestimmung der für eine Optimierung der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung eines Klärschlammes erforderlichen Flockungsmittel und/oder Flockungshilfs mittel, mit einer Meßprobenaufnahmeeinrichtung (11) für die Aufnahme einer aus dem Klärschlamm entnommenen Klär schlammprobe, einer Rühreinrichtung (12), einer Filtra tionseinrichtung (14), einem Aufnahmebehälter (3) für die mit einem Flockungsmittel oder für die mit einem Flockungsmittel und einem Flockungshilfsmittel mittels der Rühreinrichtung (12) aufgeführte Klärschlammprobe und einer elektronischen Rechnereinheit, wobei bei der Vor richtung die Meßprobenaufnahmeeinrichtung (11) die Rühr einrichtung (12) mit einem Rührgefäß (5) umfaßt, von dem Rührgefäß (5) eine mit einem ersten Absperrventil (7) versehene erste Rohrleitung (24) zu dem Aufnahmebehälter (3) führt, der der Filtrationseinrichtung (14) zugeordnet ist, an dem Aufnahmebehälter (3) ein Druckluftanschluß stutzen (16) vorgesehen und ein Wasserauslaßstutzen (17) mit einem zweiten Absperrventil (26) ausgebildet ist, der zu einem Wasserauffanggefäß (6) führt, das auf einer Waage (4) lösbar angeordnet ist, und die elektronische Rechnereinheit ein Mikrorechner (18) ist, der mit der Waage (4) verbunden ist und der unter Verwendung der von der Waage (4) gelieferten Meßdaten den spezifischen Fil terwiderstand der Filtrationseinrichtung (14) für die aufgerührte Klärschlammprobe errechnet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Aufnahmebehälter (3) bodenseitig eine Durchbre chungen aufweisende Bodenplatte (25) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (25) als Sieb, Rost oder Gitter ausgebil det ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftanschlußstutzen (16) mittels einer zweiten Rohrlei tung (19) mit einem Druckluftspeicher (2) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Rohrleitung (19) ein Druckreduzierventil (10) und mindestens ein drittes Absperrventil (9) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Druckluftspeicher (2) ein Druckreduzierventil (10) und ein viertes Absperrventil (8) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Druckluftanschlußstutzen (16) ein drittes Absperrventil (9) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeich net, daß der Druckluftspeicher (2) als Druckluftpatrone ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (18) eine Eingabeeinheit und ein Display aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß der Mikrorechner (18) mit einem Drucker (20) und/oder Plotter (21) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeich net, daß das Rührgefäß (5) mit Rühreinrichtung (12), der Aufnahmebehälter (3), die Waage (4) mit dem Wasserauf fanggefäß (6) und der Druckluftspeicher (2) in einem tragbaren Rahmen angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeich net, daß der Mikrorechner (18), Drucker (20) und/oder Plotter (21) in dem tragbaren Rahmen angeordnet sind.